JP2021521774A - Methods and systems using hydrogen jets - Google Patents
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Abstract
排気された再循環ダクト(12,18)を含む水素ジェットシステムであって、前記再循環ダクトは、ガスのジェットを形成するように該再循環ダクトを回る水素ガスを提供するためのポンプ(20)および前記再循環ダクト中に水素ガスを提供するための手段(24,25)、並びに水素原子を形成するように前記ガスのジェット中にエネルギーを提供するための電気装置(30,32)を備える、水素ジェットシステム。前記ガスのジェットは、該ガスのジェットと整合する対向した孔(42,43)を構成する中空の電極シェル(40)を通過するようになっており、ターゲット電極(44)が、前記中空の電極シェルを越えて配置されており、また、水素原子が該ターゲット電極と衝突するようになるように前記ガスのジェットと整合している。前記電極シェルおよび前記ターゲット電極は各々、外部電気端子(50,52)に接続されている。前記電極シェルおよび前記ターゲット電極は各々、作動中熱エネルギーを除去するように熱交換チャンネルを構成するのがよい。A hydrogen jet system that includes an exhausted recirculation duct (12,18), said recirculation duct is a pump (20) for providing hydrogen gas that orbits the recirculation duct to form a jet of gas. ) And means for providing hydrogen gas into the recirculation duct (24,25), and electrical equipment (30,32) for providing energy into the jet of the gas to form hydrogen atoms. Equipped with a hydrogen jet system. The gas jet passes through a hollow electrode shell (40) that constitutes opposed holes (42,43) aligned with the gas jet, and the target electrode (44) is hollow. It is located beyond the electrode shell and is aligned with the jet of gas so that hydrogen atoms collide with the target electrode. The electrode shell and the target electrode are each connected to an external electrical terminal (50, 52). The electrode shell and the target electrode may each have a heat exchange channel configured to remove thermal energy during operation.
Description
本発明は、水素ジェットを使用する方法およびシステムに関する。 The present invention relates to methods and systems that use hydrogen jets.
本発明によれば、排気される再循環ダクトを含む水素ジェットシステムであって、前記再循環ダクトは、ガスのジェットを形成するように該再循環ダクトを回る水素ガスを提供するためのポンプと、前記再循環ダクト中に水素ガスを提供するための手段と、水素原子を形成するように前記ガスのジェット中にエネルギーを提供するための電気装置と、中空の電極シェルであって、該中空の電極シェルは、前記ガスのジェットが該中空の電極シェルを通過するように、前記ガスのジェットと整合する対向した孔を構成している中空の電極シェルと、前記中空の電極シェルを越えて配置されたターゲット電極であって、該ターゲット電極もまた、水素原子が、該ターゲット電極と衝突するようになるように前記ガスのジェットと整合している、ターゲット電極と、を含む、水素ジェットシステムが、提供される。 According to the present invention, a hydrogen jet system including an exhausted recirculation duct, wherein the recirculation duct is a pump for providing hydrogen gas that goes around the recirculation duct so as to form a jet of gas. A means for providing hydrogen gas into the recirculation duct, an electric device for providing energy into the jet of the gas to form hydrogen atoms, and a hollow electrode shell, the hollow. The electrode shell of the gas crosses the hollow electrode shell and the hollow electrode shell that constitutes the facing holes that are aligned with the jet of the gas so that the jet of the gas passes through the hollow electrode shell. A hydrogen jet system that includes an arranged target electrode, the target electrode, which is also aligned with the jet of the gas so that the hydrogen atom collides with the target electrode. Is provided.
中空の電極シェルは、略球形であるのがよい。電極シェルおよびターゲット電極は、それぞれの外部電極端子に接続されているのがよく、それによって、電気出力が、例えば、外部負荷に提供されることができる。このようにして、電極シェルとターゲット電極の間に発生される電圧が、外部電極端子に接続された外部負荷に供給されることができる。 The hollow electrode shell should be substantially spherical. The electrode shell and target electrode are preferably connected to their respective external electrode terminals, whereby electrical output can be provided, for example, to an external load. In this way, the voltage generated between the electrode shell and the target electrode can be supplied to the external load connected to the external electrode terminal.
システムの作動中、中空の電極シェルとターゲット電極の両方は、熱交換装置を含む。例えば、熱交換装置の各々は、熱交換流体が通過される熱交換チャンネルを構成するのがよく、それにより、熱交換流体は、熱くなり、外部エネルギー発生装置に供給されることができる。例えば、熱交換流体が水のような蒸発可能な液体の場合には、蒸気は、発生器に接続されたタービンを作動させるために使用されることができる。 During system operation, both the hollow electrode shell and the target electrode include a heat exchanger. For example, each of the heat exchange devices may constitute a heat exchange channel through which the heat exchange fluid passes, whereby the heat exchange fluid can be heated and supplied to an external energy generator. For example, if the heat exchange fluid is an evaporable liquid such as water, the vapor can be used to operate the turbine connected to the generator.
ガスのジェット中にエネルギーを提供するための装置は、電気装置、例えば、間に電気アークを発生させることができる1対の対向した電極であるのがよい。かくして、水素原子を形成するための電気装置は、例えば、1対の間隔を隔てて配置されたタングステン電極であるのがよく、1対の間隔を隔てて配置されたタングステン電極の間に、電気アークを生成するようにDCまたはAC電圧が印加され、1対の間隔を隔てて配置されたタングステン電極は、水素ガスジェットが該電極の間の間隙を通過するように配置され、間隙を通過するガス流れの方向は、電気アークの方向と実質的に直交する。代替的な電気装置は、タングステンワイヤからなり、タングステンワイヤは、電気的に加熱されたときに、水素分子を水素原子に解離させることができる。ガスのジェットにエネルギーを入力するための装置は、代替的には、非電気的装置、例えば、水素原子を形成するために紫外線で水素を照射する(Cario and Frank法)装置であってもよい。 The device for providing energy into the jet of gas is preferably an electrical device, eg, a pair of opposing electrodes capable of generating an electric arc in between. Thus, the electrical device for forming the hydrogen atom is preferably, for example, a pair of spaced tungsten electrodes, with electricity between the pair of spaced tungsten electrodes. DC or AC voltage is applied to generate an arc, and a pair of spaced tungsten electrodes are arranged so that the hydrogen gas jet passes through the gap between the electrodes and passes through the gap. The direction of the gas flow is substantially orthogonal to the direction of the electric arc. An alternative electrical device consists of a tungsten wire, which can dissociate hydrogen molecules into hydrogen atoms when electrically heated. The device for inputting energy into the jet of gas may be an alternative non-electric device, eg, a device that irradiates hydrogen with ultraviolet light to form hydrogen atoms (Cario and Frank method). ..
作動では、1チャージの水素が、初めに導入され、次いで、その水素は、再循環される。その後、追加の水素が、例えば、熱交換器への打ち込み、或いは他のプロセスによるシステムからの水素の損失を置き換えるために提供される。ポンプの作動は、ノズルからの制限と組み合わさって、ノズルと熱交換器の間の再循環の領域が、低圧、好ましくは50kPa以下、より好ましくは20kPa以下、例えば10kPa若しくは5kPa、或いはさらに1kPaであることを確保するようなものである。 In operation, one charge of hydrogen is first introduced and then the hydrogen is recirculated. Additional hydrogen is then provided to replace the loss of hydrogen from the system, for example by driving into a heat exchanger or by other processes. The operation of the pump, combined with the limitation from the nozzle, is such that the region of recirculation between the nozzle and the heat exchanger is low pressure, preferably 50 kPa or less, more preferably 20 kPa or less, for example 10 kPa or 5 kPa, or even 1 kPa. It's like ensuring that there is.
作動中、水素分子は、水素原子に変換され、水素の原子は、陽子および電子にイオン化されることが推測される。ジェットから離れる方向に移動する電子は、中空の電極と衝突し、それによって、中空の電極は負に帯電される。同じ理由で、陽子に衝突されたターゲット電極は、正に帯電されるであろう。 During operation, hydrogen molecules are converted to hydrogen atoms, which are presumed to be ionized into protons and electrons. Electrons moving away from the jet collide with the hollow electrode, which causes the hollow electrode to be negatively charged. For the same reason, the target electrode impacted by the proton will be positively charged.
第2の観点では、本発明は、かかるシステムを利用する、水素ガスの提供を伴う作動方法を提供する。 From a second aspect, the present invention provides an operating method involving the provision of hydrogen gas utilizing such a system.
水素ガスを提供するための手段は、水の電気分解のための電解セルであるのがよいことがわかるであろう。かかる電解セルは、例えば、電気分解のための電力を供給するために、ソーラーパワーを使用することができる。水素ガスを提供するための他の手段には、天然ガス、或いは他の炭化水素の水蒸気改質、および、他の知られた工業プロセスが含まれるであろう。 It will be found that the means for providing hydrogen gas should be an electrolytic cell for electrolysis of water. Such electrolytic cells can use solar power, for example, to supply power for electrolysis. Other means for providing hydrogen gas will include steam reforming of natural gas, or other hydrocarbons, and other known industrial processes.
本発明を、以下でさらに、さらに詳しくは、例としてのみ、添付図面を参照して説明する。 The present invention will be described below in more detail with reference to the accompanying drawings only as an example.
図1を参照すると、水素ジェットシステム10は、一方の端に入口管14を備え、反対側の端に出口管16を備えたプロセスチャンバ12からなる再循環ダクト11を含み、入口管14と出口管16は、管18およびポンプ20によって相互連結されている。入口管14は、プロセスチャンバ12内に開口しているノズル22を構成しており、弁25を備えた分岐管24が、再循環ダクト11からガスを抽出し、再循環ダクト11内にガスを導入することを可能にしている。このようにして、ダクト11は、閉鎖ループを構成し、この閉鎖ループを回って、ガスが、ポンプ20によって循環されることができる。ガスの流れは、矢印Aによって示されている。
Referring to FIG. 1, the
2つのロッド形タングステン電極30が、これらの電極30の先端が、ノズル22の端から短い距離のところで互いに反対側にあるようにプロセスチャンバ12の壁に設けられたシール31を通して突出しており、そのため、ガスジェットがノズル22から現れるときに、電極30の先端は、ガスジェットの両側にある。電極30は、ノズル22の、したがって、発生するガスジェットの軸線に対して約45°傾斜している。シール31は、対向した先端の間の分離を調節するために、電極30の滑り入れ、または、滑り出しを可能にする。タングステン電極30は、例えば、例として3mm〜5mmの径を有するのがよい。電極は、二次コイルおよび一次コイルを備えた負荷変圧器32を含んだ(概略的に示されている)外部電気回路に接続されており、電極30は、負荷変圧器32の二次コイルの両端に接続されており、負荷変圧器32の一次コイルは、スイッチ34を介してAC電源36に接続されている。
Two rod-
中空の二重壁球形電極40が、プロセスチャンバ12内に取り付けられており、電気遮蔽器41(それらの1つのみが図示されている)によって支持されている。球形電極40は、2つの直径方向に対向した孔42および43を構成しており、2つの直径方向に対向した孔42および43は、ノズル22の、したがって、発生するガスジェットの軸線と整合しており、ノズル22からより遠い孔43は、矢印Aによって示されているように、ガスジェットの逸れを可能にするようにより幅広であり、ジェットは、球形電極40の真ん中を通過して、球形電極40を越えて現れる。
A hollow double-walled
プロセスチャンバ12の他方の端に向かって、湾曲した熱交換ターゲット44があり、湾曲した熱交換ターゲット44は、該湾曲した熱交換ターゲット44内に冷却材のための流路を構成しており、熱交換ターゲット44は、冷却材流れダクト46によって、プロセスチャンバ12の外側にあるポンプ47および外部熱交換器48に接続されている。
Towards the other end of the
プロセスチャンバ12の外側にある電気端子50および52が、ぞれぞれ、球形電極40および熱交換ターゲット44に電気的に接続されている。
Electrical terminals 50 and 52 on the outside of the
球形電極40は、二重壁であり、そのため、内部で冷却材のための流路を提供する。破線で示されているように、球形電極40はまた、冷却材流れダクト46、そして、プロセスチャンバ12の外側のポンプ47および外部熱交換器48に接続するポンプ冷却材流れダクト46aに接続されているのがよい。例として、冷却材は、球形電極40および熱交換ターゲット44の各々から熱を除去するために、球形電極40および熱交換ターゲット44を通して直列に流れるようになっているのがよい。
The
作動では、いくつかの水素ガスが、再循環ダクト11内に導入され、ポンプ20によって循環される。水素の量、ポンプの作動、および、ノズル22からの制限は、プロセスチャンバ12内の圧力が、10kPaであるようになっている。作動中、システムからの水素の損出を置き換えるように、追加の水素が提供される。
In operation, some hydrogen gas is introduced into the
例えば、水のような液体、若しくは、100℃以上の沸点を有する液体、若しくは、窒素のようなガスであるのがよい冷却材流体が、球形電極40および熱交換ターゲット44を通してポンプ47によって圧送され、作動中、球形電極40および熱交換ターゲット44は、熱くなり、冷却材流体が、この熱を除去する。熱は、(例えば、発電機に接続された蒸気タービンに過熱された水を提供することによって)直接利用されることができるが、図1では、熱は、2つの段階で伝達され、初めは、球形電極40および熱交換ターゲット44を通して流れる冷却材流体に伝達され、次いで、外部熱交換器48を通って流れるようにされる二次冷却材流体に伝達される。二次冷却材流体は、熱を提供するために、例えば、家庭または温室を暖房するために直接使用されることができ、または、発電するために使用されることができる。理想的には、除去された熱は、有用な出力を最大化すべく、組み合わされた熱およびパワーを供給するために使用される。
For example, a liquid such as water, a liquid having a boiling point of 100 ° C. or higher, or a cooling material fluid which is preferably a gas such as nitrogen is pumped by a
スイッチ34は、電極30の先端の間で電圧を提供し、それによって、電極30の先端の間の低圧水素中でアークを発生するように付勢される。電極30の間に印加される電圧は、50Vよりも大きく、例えば、100V、150V、或いは、200V、或いは、なおそれよりも高いのがよい。電極30の先端を互いにさらに近づけて、アークを新たに発生させ、次いで、先端をさらに離すことが必要なことがある。電極の先端の分離は、通常の作動中、例えば1mm〜5mm、例えば3mmであるのがよい。
The switch 34 provides a voltage between the tips of the
システム10への電力入力は、主として、AC電源36によって電極30に提供される電力である。これは明らかに、アーク、および、電圧中に流れる電流に依存する。この構成は、タングステンを含む材料を溶接することできることが発見された、西暦1911年ほどにラングミュア(Langmuir)によって開発された水素アーク溶接装置といくつかの共通点を有するが、本ケースでは、プロセスは、低圧で、かつ、水素ガスのみの存在下で実行されることがわかるであろう。水素分子を原子に解離させるのに必要なエネルギーは、約420kJ/moleであり、それは、ガス蒸気中であろうと、熱交換ターゲット44の表面との衝突時であろうと、原子が再結合する場合に熱として発生されることが通常期待されるエネルギーの量である。しかしながら、本ケースでは、可成りより多い熱エネルギーがガスジェットから得られることが推測される。
The power input to the
水素ガスがアークを通過するときに水素ガスに入力されるエネルギーは、水素分子を水素原子に解離させる。解離の程度は、アークの温度、および、アーク内に提供される電力によって決まる。水素ガスは、アークによって一定範囲の異なるエネルギーを備え、少なくともいくつかの水素原子がイオン化されることが予想され得る。その結果、プロセスチャンバ12を通って流れるガスジェットは、水素分子、水素原子、並びに、イオン、すなわち、電子および陽子、主として陽子を含む。電子および陽子は、主要なエネルギー源であると考えられる。
The energy input to the hydrogen gas as it passes through the arc dissociates the hydrogen molecules into hydrogen atoms. The degree of dissociation depends on the temperature of the arc and the power provided within the arc. Hydrogen gas has a range of different energies depending on the arc, and it can be expected that at least some hydrogen atoms will be ionized. As a result, the gas jet flowing through the
電子が、電子をガスジェットの外に、カスジェットから離れる方に連れ去る方向に移動する場合には、電子は、球形電極40の内面上に衝突する。その結果、球形電極40は、負となるであろう。これと比較して、同じ電子が存在しないので、熱交換ターゲット44は、正となるであろう。
When the electrons move out of the gas jet and away from the casjet, the electrons collide on the inner surface of the
例えば、Dr. Ivan A.Strilets (Journal of Modern Physics, 2014, 5, 1302-1320: http://www.scrip.org/journal/Paperinformation.aspx/paperID=49252)によって、水素原子は不安定であり、自然にイオン化すると推測されている。それが事実であるとすると、アーク中で生成される水素原子の少なくともいくつか(および、可能性として大部分)は、熱交換ターゲットに到達する前にイオン化し得る。この論文はまた、発生する電子は、約1300kJ/moleの著しい運動エネルギーを有することとなり、これは、電子が、球形電極40に到達するようにガスジェットからより逸れやすくさせるようになることを示唆している。それによって、少なくとも電子は、追加のエネルギーを提供し得ることが推測される。その結果、球形電極40および熱交換ターゲット44から得られる熱エネルギーは、電源36によって提供される電気エネルギーよりも可成り大きくなり得ることが示唆された。
For example, Dr. Ivan A. Strilets (Journal of Modern Physics, 2014, 5, 1302-1320: http://www.scrip.org/journal/Paperinformation.aspx/paperID=49252) makes the hydrogen atom unstable. Yes, it is speculated that it will ionize naturally. If that is the case, at least some (and possibly most) of the hydrogen atoms produced in the arc can be ionized before reaching the heat exchange target. The paper also suggests that the generated electrons will have a significant kinetic energy of about 1300 kJ / mole, which makes it easier for the electrons to deviate from the gas jet to reach the
上記の説明は、例としてのみのものであり、システムは、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内になおありながら、種々の仕方で変更することができることがわかるであろう。例えば、電極30の間の間隙を目がける単一のノズル22の代わりに、ガスは、各々の電極30に沿って1つずつある2つのノズルを通して代わりに送られることもでき、その結果、ガス流は、間隙で出会い、図示されるように矢印Aによって示されるように流れ出る。中空の球形電極のために二重構造を使用する代わりに、電極40は、代わりに単一壁であって、熱交換ダクトがその単一壁の外側面と熱交換接触する単一壁を有することもできる。さらに、中空の電極40は、非球形、例えば、形状が楕円の回転面の形状であるような、断面が楕円形であることもできる。実際、中空の電極は、全く異なる形状、例えば、矩形ボックスのような、或いは、中空の円筒、中空の円錐、若しくは中空のピラミッドのような形状を有することもできる。熱を、球形電極40から、また、熱交換ターゲット44から除去するための単一の熱交換システムの代わりに、1つが熱を球形電極40から除去し、もう1つが熱を熱交換ターゲット44から除去するための2つの別個の熱交換システムが代わりにあってもよい。
It will be appreciated that the above description is for example only and that the system can be modified in various ways, while still within the scope of the invention as defined by the claims. For example, instead of a
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